條并卷聯(lián)合機棉卷加壓機構(gòu)對比及壓力分析

賈國欣,李留濤，任家智

(1.河南工程學(xué)院 紡織學(xué)院, 河南 鄭州 450007；2.中原工學(xué)院 紡織學(xué)院，河南 鄭州 451191)

條并卷聯(lián)合機棉卷加壓機構(gòu)對比及壓力分析

賈國欣1,李留濤2，任家智2

(1.河南工程學(xué)院 紡織學(xué)院, 河南 鄭州 450007；2.中原工學(xué)院 紡織學(xué)院，河南 鄭州 451191)

為了使條并卷聯(lián)合機的棉卷成型良好，對3種棉卷加壓機構(gòu)進行了分析對比.分析表明，傳統(tǒng)加壓機構(gòu)存在“爬行現(xiàn)象”的缺陷，齒輪齒條式加壓機構(gòu)及氣缸式加壓機構(gòu)消除了“爬行現(xiàn)象”，機件動作準(zhǔn)確，加壓穩(wěn)定，但氣缸式加壓機構(gòu)對氣體的壓力及其變化規(guī)律的要求較高.對齒輪齒條式加壓機構(gòu)進行了力學(xué)分析，編制了計算機程序，得出了保持棉卷成型良好的壓力曲線及方程，將壓力方程輸入可編程控制器PLC，可對條并卷聯(lián)合機的棉卷加壓進行在線控制.

條并卷聯(lián)合機；加壓機構(gòu)；對比；壓力分析；加壓曲線

隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，人們對高檔紡織品的需求急劇增加，精梳紗的比例也在逐年提高，為了保證低品級原棉的精梳質(zhì)量，對精梳準(zhǔn)備制品棉小卷的質(zhì)量提出了更高的要求.當(dāng)前在工廠中常用的精梳準(zhǔn)備工序流程中，預(yù)并-條并卷以并合根數(shù)多、混合均勻、落棉率較低等優(yōu)點成為精梳準(zhǔn)備工藝的首選[1]，但該工藝流程最大的缺點是小卷易粘連即粘卷，而成卷壓力是影響棉卷成型質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一.因此，對條并卷聯(lián)合機的3種棉卷加壓機構(gòu)進行了分析對比，得出了較優(yōu)的加壓機構(gòu)形式并對此機構(gòu)進行力學(xué)分析，得出了保持棉卷成型良好的壓力曲線及方程.將壓力方程輸入可編程控制器PLC，在線控制棉卷形成過程中的壓力，為提高實際生產(chǎn)中棉小卷的質(zhì)量提供了理論依據(jù).

1 條并卷聯(lián)合機棉卷加壓機構(gòu)及其分析對比

1.1傳統(tǒng)棉卷加壓機構(gòu)及其缺陷

圖1為國內(nèi)條并卷聯(lián)合機的傳統(tǒng)棉卷加壓機構(gòu)，其工作原理為棉層在前后兩個成卷羅拉1和2的摩擦力的帶動下卷繞在筒管3上形成棉卷，筒管3的兩端均被夾持圓盤4夾持，夾持圓盤4鉸接在升降臂5的上端，升降臂的下端與剛體6在A點鉸接，剛體6以O(shè)3為支點做擺動運動，剛體6與氣缸活塞桿7在B點連接.在棉卷卷繞過程中，活塞桿始終受到氣缸8內(nèi)氣體向左的推力，該推力傳遞到剛體上的B點，使得剛體6有以O(shè)3為支點順時針擺動的趨勢，從而對升降臂的A點施加向下的拉力，該拉力通過升降臂上的夾持圓盤最終作用在棉卷筒管上，使棉卷在卷繞過程中受到壓力.

圖1 傳統(tǒng)棉卷加壓機構(gòu)Fig.1 Traditional lap pressure mechanism

傳統(tǒng)棉卷加壓機構(gòu)的升降臂做平面運動，上端隨棉卷直徑的增加做直線上升運動，下端圍繞支點O3做圓周運動，而升降臂運動的軌道9為一直線導(dǎo)路，在運動過程中，升降臂與軌道間存在一定的剛性摩擦，出現(xiàn)“爬行現(xiàn)象”.爬行是機械不正常的運動狀態(tài)，程度較輕時表現(xiàn)為肉眼所不能察覺的振動，嚴(yán)重時表現(xiàn)為較大距離的跳動.爬行會降低工件動作的準(zhǔn)確性，造成棉卷加壓不勻，影響最終生成的棉卷質(zhì)量，而且還會加大機器的負重，損耗更多的功率，使機器的效率明顯降低.

1.2齒輪齒條式棉卷加壓機構(gòu)及其特點

圖2為齒輪齒條式棉卷加壓機構(gòu)，其工作過程為棉層在前后兩個成卷羅拉1和2的摩擦力的帶動下卷繞在筒管3上形成棉卷，筒管3的兩端均被夾持圓盤4夾持，夾持圓盤4鉸接在升降臂5的上端，升降臂的下部銑有輪齒，這些輪齒與齒輪6的輪齒相嚙合，齒輪6和齒輪7固裝在同一個軸上，齒輪7和銑有輪齒的氣缸活塞桿8嚙合.在棉卷卷繞過程中，氣缸始終對活塞桿施加一個向左的拉力，該拉力通過齒輪7和齒輪6傳遞到升降臂上，使升降臂始終受到向下的拉力，這個拉力通過升降臂上的夾持圓盤最終作用在棉卷筒管上，使棉卷在卷繞過程中受到壓力.齒輪齒條式棉卷加壓機構(gòu)的升降臂做線性升降運動，而升降臂運動的導(dǎo)路也是直線，和傳統(tǒng)的棉卷加壓機構(gòu)相比，加壓過程中升降臂與軌道之間的“爬行現(xiàn)象”消失了，機件動作準(zhǔn)確，加壓更穩(wěn)定，棉卷均勻度更好，機械的效率也得到了提高.

1.3氣缸式棉卷加壓機構(gòu)及其特點

圖3為氣缸式棉卷加壓機構(gòu)，其工作過程為棉層在前后兩個成卷羅拉1和2的摩擦力的帶動下卷繞在筒管3上形成棉卷，筒管3的兩端均被夾持圓盤4夾持，夾持圓盤4鉸接在升降臂5的上端，升降臂的下端與氣缸活塞桿6剛性聯(lián)接.在棉卷卷繞過程中，氣缸7始終對活塞桿施加一個向下的拉力，該拉力通過升降臂和夾持圓盤最終傳遞到棉卷上，使棉卷在形成過程中始終受到壓力.氣缸式棉卷加壓機構(gòu)的升降臂直接與氣缸活塞桿相連，兩者之間的傳動機件被取消了，縮短了傳動路線，減少了功率的損耗，機械的效率得到了提高.但是，此種加壓機構(gòu)左右兩側(cè)的升降臂各自連接一個氣缸，為了保證升降臂運動的同步性，對氣缸內(nèi)氣體的壓力及其變化規(guī)律的要求較高.

圖2 齒輪齒條式棉卷加壓機構(gòu)Fig.2 Gear-rack lap pressure mechanism

圖3 氣缸式棉卷加壓機構(gòu)Fig.3 Cylinder-style lap pressure mechanism

2齒輪齒條式棉卷加壓機構(gòu)壓力分析

條并卷聯(lián)合機的主要任務(wù)是控制生成棉卷的均勻度與質(zhì)量不勻率以減輕精梳機的梳理負擔(dān)[2]，棉卷成型質(zhì)量的好壞主要取決于棉層卷繞過程中受到的壓力，而成卷壓力由加壓機構(gòu)及氣缸壓力決定，下面以齒輪齒條式棉卷加壓機構(gòu)為例，分析機構(gòu)的力學(xué)特性及其與棉卷成型的關(guān)系.

圖4 棉卷受力分析Fig.4 Analysis of lap pressure

2.1棉卷受力分析

棉卷在卷繞過程中共受到3個力的作用(棉卷質(zhì)量忽略不計)，如圖4所示，F(xiàn)1和F2分別為前后成卷羅拉對棉卷的支持力(即成卷羅拉對棉層的壓力)，Q為升降臂施加到棉卷上的拉力.根據(jù)力學(xué)知識知[3]，F(xiàn)1沿圖2中O和O1連線方向，F(xiàn)2沿圖2中O和O2連線方向，Q沿升降臂運動導(dǎo)路方向.建立如圖4所示的直角坐標(biāo)系，設(shè)F1，F(xiàn)2和Q與x軸所夾銳角分別為θ1，θ2和θ3，棉卷中心O點的位置坐標(biāo)為(xo,yo)，前后成卷羅拉中心O1和O2的位置坐標(biāo)分別為(xo1,yo1)和(xo2,yo2)，位置坐標(biāo)已知，則

(1)

(2)

又由設(shè)計圖知升降臂運動導(dǎo)路固定，傾角為60°，即θ3=60°，棉卷受力滿足如下平衡方程：

∑fx=0-Q×cosθ3-F2×cosθ2+F1×cosθ1=0，

(3)

∑fy=0-Q×sinθ3+F2×sinθ2+F1×sinθ1=0.

(4)

對上述方程進行求解，找出成卷羅拉對棉卷的支持力F1和F2與升降臂拉力Q之間的關(guān)系，得

Q=F1×(cosθ2×sinθ1+cosθ1×sinθ2)/(sinθ3×cosθ2+sinθ2×cosθ3)，

(5)

Q=-F2×(cosθ2×sinθ1+cosθ1×sinθ2)/(sinθ1×cosθ3-sinθ3×cosθ1).

(6)

2.2齒輪齒條受力分析

Q′為升降臂施加到齒輪6上的力，Q′與Q大小相等、方向相反，是一對平衡力，P為氣缸活塞桿施加到齒輪7上的拉力，齒輪6與齒輪7固連在同一軸上，齒輪6的半徑r6和齒輪7的半徑r7，根據(jù)力學(xué)知識可知Q′×r6=P×r7，可推出P=Q′×r6/r7.又Q′=Q，則

P=Q×r6/r7，

(7)

式(7)建立了氣缸壓力與升降臂拉力Q之間的關(guān)系.

3 氣缸壓強曲線及方程

3.1氣缸壓強曲線

通過上述力學(xué)分析，棉卷成型中所受壓力與氣缸施加壓力間的關(guān)系被建立，聯(lián)立公式(1)～(7)，在Matlab中編制M文件[4].

圖5 不同棉條定量時氣缸加壓曲線Fig.5 Cylinder pressure curve as different sliver quantitative

例：(xo1,yo1)=(553,967.5)，(xo2,yo2)=(1 163,615)，r6=180，r7=102，單位為mm.利用plot命令畫出棉條定量變化時，保持棉卷成型良好，氣缸壓強隨棉卷卷繞長度變化的曲線如圖5所示.

由圖5可知，①不管輸入條并卷聯(lián)合機的棉條定量如何變化，隨著棉卷卷繞的進行，氣缸壓強都應(yīng)增加；②氣缸壓強和棉層卷繞長度之間不成線性比例關(guān)系，卷繞前期壓強增長較快，中后期增長較慢；③棉條定量變化時，加壓曲線不同，但曲線的形狀相似，棉條定量越大，卷繞過程中氣缸施壓越大.

3.2氣缸壓強方程

對圖5所示加壓曲線進行分析，發(fā)現(xiàn)它們與多項式曲線相似，利用Matlab中的polyfit命令對曲線進行擬合[5]，得到不同棉條定量時氣缸壓強隨棉層卷繞長度變化的三次方程為

Y=5.16×10-8×x3+(-2.93)×10-5×x2+0.87×10-2×x+2.67+(K-3.5)×2×4.80× 10-9×x3+(-3.04)×10-6×x2+7.38×10-4×x+0.218，

(8)

其中，Y是氣缸壓強，x是卷繞棉層長度，K表示棉條定量.

圖6 實際壓強曲線與模擬壓強曲線對比Fig.6 Comparison of practical pressure curve and fitting curve

3.3擬合方程的驗證及在線控制

將式(8)所列三次擬合方程輸入計算機，畫出模擬壓強曲線，將模擬壓強曲線與圖5的實際壓強曲線進行對比，如圖6所示.

從圖6可以看出，根據(jù)擬合多項式方程得出的曲線與圖5中的壓強曲線幾乎重合，兩曲線之間的差異很小，這充分證明了擬合方程的正確性.將公式(8)所示的方程輸入可編程控制器PLC中，PLC在線控制電子比例閥(一種電子元件，以電控方式實現(xiàn)對流量的控制)調(diào)節(jié)氣缸的壓強，使棉卷成型良好.

4 結(jié)論

提高精梳準(zhǔn)備棉小卷的質(zhì)量是獲得更優(yōu)精梳條的途徑之一，精梳準(zhǔn)備的首選是預(yù)并—條并卷工藝，條并卷聯(lián)合機的主要任務(wù)是控制生成棉卷的均勻度與質(zhì)量不勻率，棉卷成型質(zhì)量的好壞由加壓機構(gòu)及氣缸壓力決定.通過對當(dāng)前條并卷聯(lián)合機3種棉卷加壓機構(gòu)的對比，得出了傳統(tǒng)加壓機構(gòu)存在“爬行現(xiàn)象”，而較新穎的齒輪齒條式加壓機構(gòu)及氣缸式加壓機構(gòu)消除了“爬行現(xiàn)象”，機件動作準(zhǔn)確，加壓穩(wěn)定，但氣缸式加壓機構(gòu)升降臂運動的同步性較差.對齒輪齒條式加壓機構(gòu)的受力進行了數(shù)學(xué)建模并編制了計算機程序，得出了保持棉卷成型良好的壓力曲線及方程，為生產(chǎn)中棉卷壓力的在線控制提供了理論依據(jù).

[1] 荊博,趙陽,王照旭,等.精梳準(zhǔn)備工藝及梳理元件對成紗質(zhì)量的影響[J].棉紡織技術(shù)，2011(4)：39-41.

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ThecomparisonandpressureanalysisoflappressuremechanismonUNILIP

JIA Guo-xin1, LI Liu-tao2, REN Jia-zhi2

(1.CollegeofTextiles,HenanInstituteofEngineering,Zhengzhou450007，China; 2.CollegeofTextiles,ZhongyuanUniversityofTechnology,Zhengzhou451191，China)

In order to obtain better lap forming, three lap pressure mechanisms have been analyzed and compared. Analysis show that: traditional pressure mechanism exists “creeping phenomenon” defect, gear-rack pressure mechanism and cylinder-style pressure mechanism eliminate “creeping phenomenon”, component moving accurate, pressure stable, but cylinder-style pressure mechanism has an high demand on gas pressure and its change law. Moreover, this paper carries on mechanical analysis on gear-rack pressure mechanism, compiles computer program, draws out pressure curve & equation that keeping lap forming better, and lap pressure can be controlled on-line after the pressure equation putted into PLC(Programmable Logic Controller).

UNILIP; pressure mechanism; comparison; pressure analysis; pressure curve

2014-04-07

賈國欣(1975-)，女，河北石家莊人，副教授，主要研究方向為新型棉紡工藝與設(shè)備.

TS103.22+5

A

1674-330X(2014)03-0011-04